Principe en toepassing vanEDFA erbium-gedoteerde vezelversterker
De basisstructuur vanEDFAEen erbium-gedoteerde vezelversterker bestaat hoofdzakelijk uit een actief medium (tientallen meters lange gedoteerde kwartsvezel, kerndiameter 3-5 micron, doteringsconcentratie (25-1000)x10-6), een pomplichtbron (990 of 1480 nm laserdiode), een optische koppelaar en een optische isolator. Signaallicht en pomplicht kunnen in dezelfde richting (co-pomping), in tegengestelde richting (reverse pumping) of in beide richtingen (bidirectionele pumping) door de erbiumvezel propageren. Wanneer het signaallicht en het pomplicht tegelijkertijd in de erbiumvezel worden geïnjecteerd, wordt het erbiumion onder invloed van het pomplicht aangeslagen naar een hoog energieniveau (drie-niveausysteem) en vervalt het snel naar een metastabiel niveau. Wanneer het onder invloed van het invallende signaallicht terugkeert naar de grondtoestand, wordt het foton dat overeenkomt met het signaallicht uitgezonden, waardoor het signaal wordt versterkt. Het spectrum van de versterkte spontane emissie (ASE) heeft een grote bandbreedte (tot 20-40 nm) en vertoont twee pieken die respectievelijk overeenkomen met 1530 nm en 1550 nm.
De belangrijkste voordelen vanEDFA-versterkerZe kenmerken zich door een hoge versterking, grote bandbreedte, hoog uitgangsvermogen, hoge pompefficiëntie, lage invoegverliezen en ongevoeligheid voor polarisatietoestanden.
Het werkingsprincipe van een erbium-gedoteerde vezelversterker
De erbium-gedoteerde vezelversterkerEDFA optische versterkerEen erbium-gedoteerde vezelversterker (ongeveer 10-30 meter lang) bestaat hoofdzakelijk uit een erbium-gedoteerde vezel en een pomplichtbron. Het werkingsprincipe is dat de erbium-gedoteerde vezel gestimuleerde straling genereert onder invloed van de pomplichtbron (golflengte 980 nm of 1480 nm). Het uitgestraalde licht verandert met de verandering van het ingangslichtsignaal, wat neerkomt op versterking van het ingangslichtsignaal. Uit onderzoek blijkt dat de versterking van een erbium-gedoteerde vezelversterker doorgaans 15-40 dB bedraagt en dat de relaisafstand met meer dan 100 km kan worden vergroot. Men vraagt zich dan ook af: waarom bedachten wetenschappers het gebruik van gedoteerd erbium in een vezelversterker om de intensiteit van lichtgolven te verhogen? We weten dat erbium een zeldzaam aardmetaal is en dat zeldzame aardmetalen specifieke structurele eigenschappen hebben. Het doteren met zeldzame aardmetalen in optische apparaten wordt al lange tijd toegepast om de prestaties te verbeteren, dus dit is geen toeval. Waarom wordt er bovendien gekozen voor een pomplichtbron met een golflengte van 980 nm of 1480 nm? De golflengte van de pomplichtbron kan in principe 520 nm, 650 nm, 980 nm of 1480 nm zijn, maar de praktijk heeft aangetoond dat een pomplichtbron met een golflengte van 1480 nm de hoogste laserrendementen oplevert, gevolgd door een pomplichtbron met een golflengte van 980 nm.
Fysieke structuur
De basisstructuur van een erbium-gedopte vezelversterker (EDFA optische versterker) bestaat uit een isolator aan de ingang en een isolator, die ervoor zorgt dat het optische signaal slechts in één richting wordt doorgegeven. De pompbron heeft een golflengte van 980 nm of 1480 nm en wordt gebruikt om energie te leveren. De koppelaar verbindt het ingangssignaal en het pomplicht in de erbium-gedopte vezel en draagt de energie van het pomplicht over op het ingangssignaal via de erbium-gedopte vezel, waardoor de energie van het ingangssignaal wordt versterkt. Om een hoger uitgangsvermogen en een lagere ruisindex te verkrijgen, maakt de in de praktijk gebruikte erbium-gedopte vezelversterker gebruik van twee of meer pompbronnen met isolatoren ertussen. Om een bredere en vlakkere versterkingscurve te verkrijgen, wordt een versterkingsfilter toegevoegd.
De EDFA bestaat uit vijf hoofdonderdelen: een erbiumgedoteerde vezel (EDF), een optische koppelaar (WDM), een optische isolator (ISO), een optisch filter en een pompbron. Veelgebruikte pompbronnen zijn 980 nm en 1480 nm. Deze twee bronnen hebben een hogere pompefficiëntie en worden vaker gebruikt. De ruiscoëfficiënt van de 980 nm pompbron is lager; de 1480 nm pompbron heeft een hogere pompefficiëntie en kan een groter uitgangsvermogen leveren (ongeveer 3 dB hoger dan de 980 nm pompbron).
voordeel
1. De werkingsgolflengte komt overeen met het minimale verzwakkingsbereik van de single-mode glasvezel.
2. Hoge koppelingsefficiëntie. Omdat het een vezelversterker is, is de koppeling met de transmissievezel eenvoudig.
3. Hoge energieomzettingsrendement. De kern van EDF is kleiner dan die van een transmissievezel, en het signaallicht en het pomplicht worden gelijktijdig in EDF verzonden, waardoor de optische capaciteit zeer geconcentreerd is. Dit zorgt voor een zeer sterke interactie tussen licht en het versterkingsmedium (Er-ionen). In combinatie met een geschikte lengte van de erbiumgedopte vezel resulteert dit in een hoog energieomzettingsrendement.
4. Hoge versterking, lage ruisindex, groot uitgangsvermogen, lage overspraak tussen kanalen.
5. Stabiele versterkingskarakteristieken: EDFA is niet gevoelig voor temperatuur en de versterking vertoont weinig correlatie met de polarisatie.
6. De versterkingsfunctie is onafhankelijk van de bitsnelheid en het gegevensformaat van het systeem.
tekortkoming
1. Niet-lineair effect: Een EDFA versterkt het optische vermogen door het geïnjecteerde optische vermogen in de vezel te verhogen, maar hoe hoger het vermogen, hoe beter. Wanneer het optische vermogen tot een bepaald niveau wordt verhoogd, treedt het niet-lineaire effect van de optische vezel op. Daarom moet bij het gebruik van optische vezelversterkers aandacht worden besteed aan de controle van het inkomende optische vermogen van de vezel per kanaal.
2. Het golflengtebereik voor versterking is vast: het werkingsgolflengtebereik van de C-band EDFA is 1530 nm~1561 nm; het werkingsgolflengtebereik van de L-band EDFA is 1565 nm~1625 nm.
3. Ongelijkmatige versterkingsbandbreedte: De versterkingsbandbreedte van een EDFA (erbium-gedopte vezelversterker) is zeer breed, maar het versterkingsspectrum van de EDF zelf is niet vlak. Om de versterking in een WDM-systeem af te vlakken, moet een versterkingsfilter worden gebruikt.
4. Probleem met lichtpiek: Wanneer het lichtpad normaal is, worden de door het pomplicht aangeslagen erbiumionen door het signaallicht meegevoerd, waardoor de versterking van het signaallicht wordt voltooid. Als het ingangslicht wordt onderbroken, blijven de metastabiele erbiumionen zich ophopen. Zodra de signaallichttoevoer wordt hersteld, treedt er een energiesprong op, wat resulteert in een lichtpiek.
5. De oplossing voor de optische piek is het realiseren van de automatische optische vermogensreductie (APR) of automatische optische vermogensuitschakeling (APSD) functie in de EDFA, dat wil zeggen dat de EDFA automatisch het vermogen verlaagt of automatisch uitschakelt wanneer er geen ingangslicht is, waardoor het optreden van het piekfenomeen wordt onderdrukt.
Toepassingsmodus
1. De boosterversterker wordt gebruikt om het vermogen van signalen met meerdere golflengten na de boostergolf te versterken en vervolgens door te sturen. Omdat het signaalvermogen na de boostergolf over het algemeen groot is, zijn de ruisindex en de versterking van een vermogensversterker niet erg hoog. Het uitgangsvermogen is relatief groot.
2. De lijnversterker, die na de eindversterker wordt gebruikt, compenseert periodiek het transmissieverlies van de lijn. Hiervoor is doorgaans een relatief lage ruisindex en een groot optisch uitgangsvermogen vereist.
3. Voorversterker: Deze wordt vóór de splitter en na de lijnversterker geplaatst om het signaal te versterken en de gevoeligheid van de ontvanger te verbeteren (mits de optische signaal-ruisverhouding (OSNR) aan de eisen voldoet, kan een hoger ingangsvermogen de ruis van de ontvanger zelf onderdrukken en de ontvangstgevoeligheid verbeteren). De ruisindex is zeer laag, waardoor er geen hoge eisen aan het uitgangsvermogen worden gesteld.
Geplaatst op: 17 maart 2025